Укрепляя Кремль, итальянские зодчие использовали и весь опыт римских фортификаторов: стены и башни располагались по заветам хитроумного Витрувия: «Надо, чтобы башни прерывали ход по стенам; если неприятель завладеет одной частью стены, остальные были бы от него отрезаны». Каждая башня являлась самостоятельной крепостью: отняв приставную лестницу, гарнизон наглухо замыкался в каменной ограде, но в случае необходимости мог скрыться потайными ходами Круглые башни, если их заполнить землей, оказывали громадное сопротивление снарядам. Кроме того, у них нельзя было разрушить углы, как в квадратных башнях.
Новые укрепления отвечали требованиям тогдашнего фортификационного искусства, и Кремль представлял собой систему надежных и сильно вооруженных башен, контролирующих окружающее пространство. Стены идут с небольшим изломом, башни же несколько выдвинуты вперед. Благодаря этому с каждой стрельницы во время осадного боя можно было наблюдать за положением на соседних башнях и своевременно оказывать им помощь. Внутри башни были разделены сводами и деревянными настилами на несколько ярусов и имели хитро расположенные друг над другом амбразуры. Приспособленные для верхнего, среднего и нижнего боя, они располагались так, что никто не мог укрыться, притаившись у стены, или скрытно подобраться к ней. Сверх того, были устроены и навесные бойницы, а наверху башни заканчивались боевыми площадками, прикрытыми деревянными навесами, что придавало им еще более суровый вид. Под стенами, башнями, храмами и другими постройками нового Кремля были устроены подземные ходы и водоемы, сводчатые погреба и кладовые для хранения пороха, оружия и других запасов.
Когда в Кремле завершились каменные работы, в 1508 году итальянский мастер Алевиз Фрязин поднял шлюз на реке Неглинной и бурный поток наполнил ров, прорезавший всю Красную площадь от Неглинной до Москвы-реки. Кремль, окруженный с трех сторон водной преградой (Москва-река, Неглинная и ров на Красной площади), стал возвышаться как неприступный замок на острове. Проникнуть в него можно было только через подъемные мосты проездных башен, ворота которых дополнительно забирались железными решетками. За щетиной своих зубчатых стен Кремль стал подлинно неприступным и ни в чем не уступал прославленным замкам Западной Европы. Однако, в отличие от них, он не имел угрюмого вида благодаря своим новым храмам с блестящими главами и нарядным дворцовым палатам с пестрыми кровлями, живописно поднимавшимися за укреплениями.
Еще в 1499 году в том месте, где ныне высится Кремлевский дворец, для Ивана III был сооружен каменный дворец, одна из палат которого получила название Грановитой.[22] В том же году итальянский архитектор Аристотель Фиораванти, точно следуя образцам русского зодчества, воздвиг Успенский собор — самый большой из кремлевских соборов. Через 11 лет неподалеку от него псковские мастера возвели Благовещенский собор, в котором проходили повседнебные моления великого князя и его семьи. А в 1509 году Алевиз Фрязин рядом с Благовещенским построил Архангельский собор, ставший усыпальницей великих князей. На Соборной площади находились также церковь Ризположения, собор Двенадцати апостолов и другие памятники.
Высоко поднялась над кремлевскими стенами колокольня Ивана Великого, сооруженная в первые годы XVI века. Этот своеобразный храм, служивший одновременно и сторожевой башней, возводил Бон Фрязин, который закончил строить его в 1508 году. К востоку, за огромным столпом Ивана Великого, широко раскинулась Ивановская площадь, которая была довольно оживленным местом. У зданий многочисленных приказов всегда толпился народ и челобитчики, подьячие громко зачитывали царские указы и распоряжения приказов, отсюда и родилось выражение «кричать во всю Ивановскую».
По повелению Бориса Годунова колокольню Ивана Великого в 1600 году надстроили, и в таком виде она сохраняется до наших дней. Еще через 20 лет архитектор Петрок Малый начал сооружать звонницу с церковью, непосредственно примыкающую к колокольне. В 1624 году была воздвигнута увенчанная шатром пристройка, получившая название Филаретовской.
После смерти Бориса Годунова наступило время смут и потрясений, появились самозванцы и началась польско-шляхетская интервенция. Поляки засели в Кремле, а когда их выгнали оттуда, он, еще недавно такой богатый и красивый, представлял собой весьма печальную картину. Все кремлевские хоромы и палаты стояли без крыш, полов, дверей и крылец; все деревянное в них было сожжено, «государева казна» разграблена. Вокруг Кремля стояли почерневшие укрепления Китай-города и Белого города, а за ними простирались полусожженные слободы и разоренные деревни и села.